KR20180093766A - 전기 레인지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 가열 방식의 전기 레인지에 관한 것이다. 본 발명은 코일, 상기 코일과 중첩되도록 상기 코일 하측에 배치되는 금속판 및 상기 코일과 상기 금속판 사이에 배치되며, 상기 코일에서 형성되는 자기장의 적어도 일부를 차폐 시키도록 이루어지는 자기장 차폐시트를 포함하고, 상기 자기장 차폐시트는, B, C, N, Si, P, Co, Cu, Zr, Nb 및 Ta 중 적어도 하나와 Fe로 구성된 합금을 구비하고, 상기 합금의 적어도 일부는 결정화된 상태인 것을 특징으로 하는 전기 레인지를 제공한다. 본 발명에 따른 자기장 차폐시트는 종래 차폐제보다 높은 포화자속밀도를 가지기 때문에, 상기 자기장 차폐시트를 이용하면, 종래 전기 레인지보다 높은 출력을 낼 수 있는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

Description

전기 레인지{ELECTRIC RANGE}

본 발명은 유도 가열 방식의 전기 레인지에 관한 것이다.

유도 가열(induction heating)은 전자기 유도를 이용하여 금속물체를 가열시키는 방법이다. 코일에 전류가 흐르면 자기장이 형성되는데, 상기 자기장으로 인하여 코일 주변에 위치한 금속에 와전류(eddy currents)가 발생한다. 이때, 금속의 저항에 의해 발생된 줄열(joule heating)이 온도를 높이게 된다.

상기 전기 레인지는 전용용기를 사용해야한다는 단점이 있지만, 유해가스가 발생하지 않고, 화재로부터 안전하며, 화상의 위험이 없다는 장점이 있다. 또한, 가스를 연소시켜 가열하는 가스 레인지와 비교할 때, 그 효율이 월등히 높기 때문에, 상기 전기 레인지에 대한 수요가 증가하고 있다.

다만, 상기 전기 레인지에서 발생된 자기장은 피 가열 물체 뿐 아니라, 전기 레인지 주변 도체에도 영향을 줄 수 있다. 즉, 전기 레인지에서 발생된 자기장은 피 가열 물체 이외의 다른 도체를 가열할 수 있다. 이는, 상기 전기 레인지의 안정성을 저하시키는 요인이 될 뿐 아니라, 상기 전기 레인지의 효율을 감소시키는 요인이 된다.

일반적으로, 상기 전기 레인지에서는 자기장을 차폐하기 위해 Mn-Zn 페라이트로 이루어진 차폐시트를 사용한다. 다만, 상기 소재는 포화자속밀도가 낮기 때문에 전기 레인지의 출력을 높이기 위해서는 차폐시트의 두께를 증가시켜야 한다. 상술한 바와 같이, 전기 레인지의 출력을 높일 수록, 전기 레인지의 무게 및 두께가 증가하는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 종래 유도 가열 방식의 전기 레인지보다 우수한 출력을 가지는 전기 레인지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 종래 유도 가열 방식의 전기 레인지보다 가볍고, 얇은 두께를 가지는 전기 레인지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 종래 유도 가열 방식의 전기 레인지보다 우수한 효율을 가지는 전기 레인지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 유도가열 방식의 전기 레인지를 구성함에 있어서, 차폐능이 높고, 차폐 손실이 적은 자기장 차폐시트를 이용한다.

구체적인 실시 예에 있어서, 본 발명은 코일, 상기 코일과 중첩되도록 상기 코일 하측에 배치되는 금속판 및 상기 코일과 상기 금속판 사이에 배치되며, 상기 코일에서 형성되는 자기장의 적어도 일부를 차폐 시키도록 이루어지는 자기장 차폐시트를 포함하고, 상기 자기장 차폐시트는, B, C, N, Si, P, Co, Cu, Zr, Nb 및 Ta 중 적어도 하나와 Fe로 구성된 합금을 구비하고, 상기 합금의 적어도 일부는 결정화된 상태인 것을 특징으로 하는 전기 레인지를 제공한다.

여기서, 자기장 차폐시트를 이루는 합금은 종래 차폐제보다 높은 포화자속밀도 및 적정 투자율을 가진다. 이를 통해, 전기 레인지의 출력을 높이는 것이 가능해진다. 또한, 상기 자기장 차폐시트는 같은 차폐 성능을 가지는 종래 차폐제보다 얇게 형성되기 때문에 전기 레인지의 두께를 얇게 하고, 경량화 하는 것이 가능해진다.

일 실시 예에 있어서, 상기 자기장 차폐시트는 점착층, 점착층 위에 배치되고, 상기 합금으로 이루어지는 차폐층 및 상기 차폐층 위에 배치되는 보호층을 포함하여 이루어질 수 있으며, 합금으로 이루어지는 복수의 금속 조각들로 이루어질 수 있다.

여기서, 차폐층을 복수의 금속 조각들로 구성하고, 차폐층을 이루는 합금을 일부 결정화 시킴으로써 차폐층에서의 차폐 손실을 최소화한다.

일 실시 예에 있어서, 본 발명은 자기장 차폐시트의 조성, 포화자속밀도, 투자율, 자기장 차폐시트를 이루는 합금의 결정입도, 결정화된 면적을 수치 한정하여, 최대 출력 및 효율을 가질 수 있는 전기 레인지를 구성한다.

일 실시 예에 있어서, 본 발명은 복수의 차폐층으로 이루어지는 자기장 차폐시트를 구비할 수 있다. 이를 통해, 자기장 차폐시트의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 코일, 상기 코일과 중첩되도록 상기 코일 하측에 배치되고, 금속 합금을 구비하는 자기장 차폐시트, 상기 자기장 차폐시트 하측에 배치되는 페라이트 소결체 및 상기 페라이트 소결체 하측에 배치되는 금속판을 포함하고, 상기 자기장 차폐시트에 구비된 상기 합금의 적어도 일부는 결정화된 상태인 것을 특징으로 하는 전기 레인지를 제공한다.

본 발명에 따른 자기장 차폐시트는 종래 차폐제보다 높은 포화자속밀도를 가지기 때문에, 차폐시트에 가해지는 외부 자기장 세기를 증가시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 종래 전기 레인지보다 높은 출력을 낼 수 있는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트는 종래 차폐제보다 차폐로 인한 히스테리시스 손실 및 와전류 손실이 적기 때문에, 상기 자기장 차폐시트를 이용하면, 종래 전기 레인지보다 높은 효율을 가지는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

이와 더불어, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트는 종래 차폐제보다 얇은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 가지므로, 상기 자기장 차폐시트를 이용하면, 종래 전기 레인지보다 가볍고, 얇은 두께를 가지는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

도 1은 차폐제의 히스테리시스 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 레인지의 사시도이다.
도 3은 도 2의 라인 A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 2의 라인 A-A'를 따라 취한 단면도이고, 도 4는 도 2에서 설명한 전기 레인지에 외부 물체를 배치한 후 라인 A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 차폐시트의 단면도이다.
도 6은 코일 전류 세기에 따른 전기 레인지의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 7은 전기 레인지 작동시간에 따른 코일 온도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 복수의 차폐층을 포함하여 이루어지는 자기장 차폐시트의 단면도이다.
도 9는 비정질 금속에 대한 시차주사 열량측정법 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 비정질 금속 및 열처리 후의 비정질 금속에 대한 X-선 회절법 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 부분 나노 결정 소재와 페라이트 소재를 병용하여 차폐제를 구성하였을 때, 외부 자기장에 따른 자속 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12a 내지 12b는 본 발명에 따른 전기레인지의 분해도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 전기 레인지는 유도 가열(Induction Heating) 방식에 의하여 도체를 가열하는 전기 레인지이다. 코일에 전류가 흐르는 경우, 코일 주위로 자기장이 발생되는데, 상기 자기장은 코일과 인접한 곳에 위치한 도체에서의 와전류 손실(eddy current loss)을 유발한다. 도체가 가진 저항으로 인하여, 상기 와전류가 형성될 경우 도체에서 열 손실이 발생한다. 본 발명에 따른 전기 레인지는 상술한 와전류 손실을 이용하여 도체가 발열 되도록 한다.

여기서, 도체는 전기 레인지 전용 용기일 수 있다. 일반적으로, 상기 전용 용기는 코일 상측에 배치되고, 코일 상측에 형성되는 자기장의 영향을 받아 가열된다. 한편, 코일 하측에는 전기 레인지를 구성하기 위한 여러가지 부품들이 배치될 수 있다. 코일에서 발생된 자기장은 코일 상측에 형성될 뿐만 아니라, 코일 하측에도 형성되는데, 코일 하측에 형성되는 자기장은 여러가지 부품들에 영향을 줄 뿐만 아니라, 전기 레인지의 효율을 감소시키는 요인이 된다.

종래 유도 가열 방식에 전기 레인지에는 코일 하측에 형성되는 자기장을 차폐시키기 위한 차폐층이 형성된다. 구체적으로, 도 1에 도시된 히스테리시스 곡선을 참고하면, 차폐제1의 자속밀도는 코일 주위로 형성되는 자기장(외부 자기장)의 세기가 증가함에 따라 증가한다. 이를 통해, 차폐제1은 차폐기능을 수행하는데, 특히, 외부 자기장에 대하여 자속밀도가 선형(linear)으로 증가하는 구간(10)에서 차폐 효율이 가장 높다.

도 1을 참조하면, 외부 자기장의 세기가 일정 수준을 넘어서는 경우, 선형 구간(10)을 벗어나게 되는데, 이러한 경우, 차폐 효율이 떨어질 뿐 아니라, 차폐층이 포화(11)된다. 차폐층이 포화(11)되는 경우, 차폐층의 자기적 성질이 변하는데, 이로 인하여, 전기 레인지가 오작동을 일으킨다. 따라서, 외부 자기장의 세기는 차폐층이 포화되기전 까지만 증가되어야 하며, 바람직하게는, 차폐층의 히스테리시스 곡선이 선형성을 띠는 범위까지 만 증가되어야 한다.

한편, 도 1에 도시된 차폐제 1 및 2의 히스테리시스 곡선을 비교하면, 포화자속밀도가 큰 차폐제2의 선형 구간(20)이 차폐제 1보다 넓으며, 차폐층이 포화(21)에 도달하는 외부 자기장 세기가 차폐제 1보다 크다.

상술한 이유로, 포화자속밀도가 낮은 종래 차폐층을 이용하는 전기 레인지는 코일에서 발생되는 자기장의 세기를 일정 수준 이상 키울 수 없고, 이에 따라, 전기 레인지의 출력을 높이는 것이 제한된다.

한편, 전기 레인지의 출력을 향상시키기 위해, 차폐층의 두께를 증가시키는 방안이 있지만, 이러한 경우, 전기 레인지의 효율이 떨어지고, 두께가 두꺼워지며, 제품의 무게가 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 높은 출력 및 효율로 도체를 가열할 수 있는 전기 레인지를 제공한다. 또한, 본 발명은 종래 전기 레인지보다 높은 출력 및 얇은 두께를 가지는 전기 레인지를 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 전기 레인지는 코일에서 발생되는 자기장을 이용하여 외부물체(도체)를 가열하므로, 자기장을 발생시키는 코일 및 코일에서 발생된 자기장이 외부물체 이외에 다른 도체에 영향을 주는 것을 방지하는 자기장 차폐시트를 구비한다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여, 상술한 목적을 달성하기 위한 전기 레인지와 전기 레인지에 포함된 자기장 차폐시트의 역할에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 레인지를 나타내는 사시도 이고, 도 3은 도 2의 라인 A-A'를 따라 취한 단면도이고, 도 4는 도 2에서 설명한 전기 레인지에 외부 물체를 배치한 후 라인 A-A'를 따라 취한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 레인지(100)는 적어도 하나의 가열부(150a 내지 150c)를 구비한다. 가열부에 대응하는 위치에는 코일이 배치된다. 외부 물체는 가열부에 대응하는 위치에 배치될 때 높은 효율로 가열된다.

도 3을 참조하면, 가열부(150a)에 대응하는 위치에는 코일(110)이 배치될 수 있다. 본 명세서에서는 가열부(150a) 하측에 코일(110)이 배치된다고 정의하고, 이를 기준으로, 각 구성요소들의 위치를 정의한다. 여기서, 상기 하측 방향에 반대되는 상측 방향은 도 2의 z 방향, 즉, 전기 레인지(100)가 배치된 바닥에 수직한 방향으로 정의될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 전기 레인지(100)는 자기장 차폐시트(120) 및 금속판(130)을 포함한다. 여기서, 자기장 차폐시트(120)는 코일(110) 하측에 배치되고, 금속판(130)은 자기장 차폐시트(120) 하측에 배치되고, 자기장 차폐시트(120)의 적어도 일부와 중첩된다.

상술한 바와 같이, 도 3에서 설명한 전기 레인지(100)는 전기 레인지 상측 방향으로 순서대로 배치되는 금속판(130), 자기장 차폐시트(120) 및 코일(110)을 구비한다.

추가적으로, 본 발명에 따른 전기 레인지(100)는 방열을 위한 방열팬(140) 및 외관을 형성하는 케이스(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 가열부(150a)는 케이스(150)의 일부일 수 있다.

한편, 도 4를 참조하면, 외부 물체(200)는 코일(110) 상측에 배치되도록, 가열부(150a) 상에 배치될 수 있다. 외부 물체(200)는 가열부(150a)를 경계로 코일(110) 상측에 배치된다.

이하, 코일(110), 자기장 차폐시트(120) 및 금속판(130)에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 코일(110)은 전류가 흐름에 따라 자속을 발생하는 형태로 이루어진다. 코일(110)은 전류가 흐를 수 있는 도체로 이루어지며, 코일(110)을 이루는 도체의 종류는 한정되지 않는다. 한편, 코일(110)의 형태는 특정한 형태로 제한되지 않는다. 일 실시 예에 있어서, 코일(110)은 self-bonding Litz wire로 직경이 0.1 이상, 5가닥 이상, 5턴 이상을 가질 수 있다.

코일(110)에 의하여 형성되는 자기장은 코일(110) 주위로 모든 방향에 형성된다. 즉, 코일(110) 상측에 배치되는 외부 물체(200)뿐 아니라, 전기 레인지를 이루는 다른 부품들도 자기장에 노출된다. 이를 방지하기 위해, 코일(110) 하측에는 코일(110)에 의하여 형성된 자기장을 차폐시키는 자기장 차폐시트(120)가 배치된다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 차폐시트의 단면도이다.

자기장 차폐시트(120)는 코일(110) 하측에 형성되는 자기장을 차폐함에서 있어서, 가장 중요한 역할을 한다. 도 5를 참조하면, 자기장 차폐시트(120)는 점착층(121), 차폐층(122) 및 보호층(123)을 포함하여 이루어진다.

도 5를 참조하면, 점착층(121)은 자기장 차폐시트(120)의 최하단에 배치된다. 차폐층(122)은 점착층(121) 상에 배치되고, 점착층(121)의 적어도 일부와 중첩된다. 보호층(123)은 차폐층(122) 상에 배치되고, 차폐층(122)의 적어도 일부와 중첩된다. 이하에서는, 자기장 차폐시트(120)에 포함된 구성요소들에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

점착층(121)은 자기장 차폐시트(120)와 금속판(130)이 접착(도 3과 참조)될 수 있도록 하며, 후술할 차폐층(122)이 일정한 형태를 유지하도록 한다. 점착층(121)은 열 또는 외력에 의하여 변형가능한 수지로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 점착층(121)은 상기 금속판(130) 또는 상기 차폐층(122)의 형태에 따라 그 형태가 달라질 수 있으며, 점착층(121)의 일부가 차폐층(122)에 형성된 틈새에 채워질 수 있게 된다. 이에 대하여는 후술한다.

한편, 점착층(121)의 두께는 제한이 없지만, 차폐층(122)을 금속판(130) 위에 고정시킬 수 있는 접착력을 가질 수 있을 정도의 두께로 이루어져야 한다.

한편, 점착층(121) 위에는 차폐층(122)이 배치될 수 있다. 차폐층(122)은 자기장 차폐시트(120)에서 실질적인 차폐 기능을 수행하며, 코일(110) 하측에 자기장이 형성되는 것을 차단하고, 자기장이 코일(110) 상측에 집중될 수 있도록 한다.

전기 레인지의 출력 및 효율을 높이기 위해서는 차폐층(122)의 차폐능이 높아야 하며, 차폐층(122)에서의 손실이 적어야 한다. 본 명세서에서는 상기 두 가지 관점에서 차폐층(122)을 설명한다.

먼저, 차폐층(122)의 차폐능에 대하여 설명한다. 본 명세서에서, 차폐능이란, 차폐층(122)이 포화 상태에 도달하지 않는 최대 외부자기장의 세기로 정의한다. 한편, 이와 별개로, 차폐층(122)에 의하여 자기장 세기가 줄어드는 정도를 표현하는 용어로 차폐율이라는 표현을 사용한다. 예를 들어, 코일(110)과 인접한 차폐층(122) 일면에서 측정되는 자기장 세기가 100이라고 가정하고, 상기 차폐층(122) 일면과 다른 일면에서 측정되는 자기장 세기가 10인 경우, 차폐율이 90%라 한다.

차폐층(122)의 차폐능을 향상시키기 위해, 차폐층(122)은 높은 포화자속밀도를 가져야 한다. 차폐층(122)의 포화자속밀도가 낮은 경우, 차폐층(122)이 낮은 자기장 세기에서도 포화되기 때문에, 코일(110)에 흐르는 전류의 세기를 높임으로써 형성되는 자기장의 세기를 높여, 전기 레인지의 출력을 향상시키는 것이 제한된다. 반면, 차폐층(122)의 포화자속밀도가 높은 경우, 차폐층(122)이 포화 상태가 되지 않고, 차폐기능을 수행할 수 있는 자기장 세기의 범위가 확장되기 때문에, 코일(110)에 흐를 수 있는 전류의 세기가 증가한다. 이에 따라, 전기 레인지의 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 차폐층(122)은 높은 포화자속밀도를 가져야 한다. 이를 위해, 차폐층(122)은 비정질 리본으로부터 제조될 수 있다. 여기서, 비정질 리본은 용융 방사(melt spinning) 방식에 의하여 판 형태로 제조된 합금 시트이며, 차폐층(122)은 상기 비정질 리본에 열처리를 함으로써 제조될 수 있다.

보다 구체적으로, 차폐층(122)은 소정 조성의 합금을 비정질화 하여, 높은 포화자속밀도를 가지는 비정질 리본을 제조한 후, 열처리를 함으로써 제조된다. 비정질 리본의 열처리에 대하여는 후술한다.

차폐층(122)에 높은 포화자속밀도를 부여하기 위해, 비정질 리본을 이루는 합금은 B, C, N, Si, P, Co, Cu, Zr, Nb 및 Ta 중 적어도 하나와 Fe를 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, Fe는 상기 금속 합금의 주성분이 되는 원소로, Fe의 함량은 78 내지 85wt. %일 수 있다. Fe의 함량이 85wt. %를 초과하는 경우, 포화자속밀도는 높아지지만, 미 반응 상태의 Fe가 증가하고, 비정질 형성능이 떨어진다.

여기서, Si 및 B는 비정질 형성원소(Glass Forming Element)로 비정질 상의 열적 안정화에 기여한다. 특히, B는 Fe 원소들이 일정한 간격을 유지할 수 있도록 함으로써, 합금이 안정적으로 비정질화 될 수 있도록 한다.

여기서, C, P 및 N은 Fe와의 반응을 통해 자성체(Fe3C, Fe2P 및 Fe4N)를 형성하여 pinning 효과에 의해 금속 결정이 조대화하는 것을 억제한다.

여기서, Co는 비정질 형성원소로 비정질상의 열적 안정화에 기여하며, 차폐층(122)의 자기 변형을 감소시키는 역할을 한다.

여기서, Cu는 비정질 리본을 열처리하는 과정에서 국부적인 응집(cluster)을 형성하며, Cu cluster 주변에 Fe 나노 결정의 핵 생성이 이루어지도록 한다.

여기서, Zr, Nb 및 Ta는 비정질 리본의 열처리 과정에서 결정립의 성장이 급속도로 이루어지는 것을 방지한다.

상술한 조성으로 이루어지는 비정질 리본은 종래 차폐제로 사용되던 물질(예를 들어, Mn-Zn Ferrite)보다 높은 포화자성밀도를 가진다. 구체적으로, 상술한 조성으로 이루어지는 비정질 리본은 1.2 Tesla 이상의 포화자속밀도를 가진다. 이후, 열처리 과정을 통해 비정질 리본의 포화자속밀도는 1.5 Tesla 이상으로 증가한다. 즉, 본 발명의 차폐층(122)은 1.5 Tesla 이상의 포화자성밀도를 가진다.

다만, 차폐층(122)의 포화자속밀도가 높더라도, 차폐층(122)의 투자율이 높을 경우, 차폐층(122)의 외부자기장 변화에 대한 자기유도 변화량이 크기 때문에, 낮은 외부 자기장에서도 포화상태에 도달한다. 이 때문에, 차폐층(122)의 차폐능 관점에서 볼 때, 차폐층(122)의 투자율은 낮아야 한다.

하지만, 차폐층(122)의 투자율이 너무 낮을 경우, 차폐층(122)의 차폐율이 낮아져서 차폐기능을 수행할 수 없게 된다. 구체적으로, 차폐층(122)의 투자율은 100kHz를 기준으로 400 내지 1200일 수 있다. 차폐층(122)의 투자율이 100kHz를 기준으로 400 미만인 경우, 차폐층(122)의 차폐율이 90% 미만으로 감소하고, 100kHz를 기준으로 1200을 초과하는 경우, 차폐층(122)의 외부 자기장에 대한 민감도가 높아져, 높은 포화자속밀도에도 불구하고, 차폐층(122)이 낮은 세기의 외부 자기장에서 포화에 도달하게 된다. 상술한 바와 같이, 차폐층(122)은 적정 수준의 투자율을 가져야한다.

비정질 상태의 리본의 투자율은 100kHz를 기준으로 1200보다 높기 때문에, 열처리를 통해 비정질 리본의 투자율을 낮춰야 한다. 구체적으로, 차폐층(122)은 비정질 리본을 열처리 함으로써 제조된다. 비정질 리본을 열처리하는 경우, 비정질 리본의 일부가 결정화되는데, 합금 입자가 결정화 됨에 따라, 차폐층(122)의 투자율은 낮아지며, 포화자속밀도는 높아진다. 즉, 비정질 리본의 열처리 과정은 차폐층(122)의 차폐능을 향상시킨다. 다만, 상기 열처리 과정은 차폐층(122)의 투자율을 기준 이하로 낮출 수 있으며, 후술할 차폐층(122)에서의 손실을 높일 수 있기 때문에, 제한적으로 수행되어야 한다. 이에 대하여는 후술한다.

차폐층(122)의 차폐능에 대하여 정리하면, 차폐층(122)은 78 내지 85wt. %의 Fe를 포함하는 합금 조성으로 이루어지고, 적어도 일부가 결정화된 상태이어야 하며, 1.5 Tesla 이상의 포화자속밀도를 가져야 하고, 100kHz를 기준으로 400 내지 1200의 투자율을 가져야 한다. 이를 통해, 전기 레인지의 출력을 높임과 동시에 전기 레인지의 두께를 줄일 수 일 수 있다.

이상에서는, 차폐층(122)의 차폐능에 대하여 설명하였다. 코일(110)에서 발생된 자기장에 의하여 차폐층(122)에서의 손실이 발생하는데, 전기 레인지의 효율을 최대화하기 위해서는 차폐층(122)에서 손실을 최소화 해야한다. 이하에서는, 차폐층(122)의 손실을 최소화하기 위한 구성에 대하여 설명한다.

차폐층(122)에서 발생될 수 있는 손실은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 히스테리시스 손실이고, 두 번째는 와전류 손실이다.

먼저, 히스테리시스 손실은 강자성 재료를 교류로 자화할 때 발생하는 손실로, 차폐층(122)이 포화 상태에 도달하지 않더라도 상기 손실은 발생된다. 히스테리시스 손실은 차폐층(122)의 보자력이 높을수록 증가한다.

차폐층(122)의 보자력은 차폐층(122)을 열처리함에 따라 증가할 수 있다. 즉, 차폐층을 열처리 함에 따라 차폐층(122)의 차폐능은 증가하지만, 손실 역시 증가한다. 차폐층(122)의 차폐능을 최대화함과 동시에, 손실의 최소화 하기 위해, 차폐층(122)을 이루는 결정화된 상태의 합금의 결정입도 및 결정화된 면적은 제한되어야 한다.

구체적으로, 차폐층(122)을 이루는 결정화된 상태의 금속의 결정입도는 50nm이하이어야 한다. 합금의 결정입도가 50nm를 초과하는 경우, 히스테리시스 손실이 높아져, 전기 레인지의 효율이 낮아질 수 밖에 없다.

한편, 차폐층(122)을 이루는 비정질 리본 전체가 50nm 이하의 결정입도로 결정화되는 것이 가장 바람직하지만, 비정질 리본을 열처리하는 과정에서 결정입도가 급격히 변화하기 때문에 모든 합금 결정의 결정입도를 50nm 이하로 형성하도록 하는 것은 사실상 어렵다. 이에, 차폐층(122)의 전체 면적 중 20%이상이 50nm이하의 결정입도로 결정화되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 합금의 결정입도 및 결정화된 면적은 후술할 와전류 손실과도 연관된다. 이하에서는, 차폐층(122)의 와전류 손실에 대하여 설명한다.

와전류 손실이란, 코일(110)에서 발생되는 자기장에 의하여 차폐층(122)에서 발생된 와전류에 의하여 발생되는 손실이다. 와전류 손실을 최소화 하기 위해, 차폐층(122)은 상기 합금으로 구성된 복수의 금속 조각들로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 차폐층(122)의 제조과정에서, 열처리가 완료된 비정질 리본을 다수의 조각으로 분리하거나, 비정질 리본 적어도 일부에 크랙을 형성시킬 수 있다. 여기서, 점착층(121)이 열 또는 외력에 의하여 변형가능한 수지로 이루어지는 경우, 점착층(121)이 금속 조각들 사이로 스며들 수 있다. 이를 통해, 점착층(121)은 금속 조각들 간의 결합력을 상승시키고, 차폐층(122)이 일정한 형태를 가질 수 있도록 하며, 금속 조각들 사이로 외부 물질이 침입하는 것을 방지할 수 있다.

차폐층(122)이 하나의 판으로 이루어지는 경우, 차폐층(122)에서의 와전류는 판 전체에서 형성된다. 이와 달리, 차폐층(122)이 복수의 금속 조각들로 이루어지는 경우, 와전류는 금속 조각들 각각에서 발생된다. 와전류가 판 전체에서 발생되는 것과 비교할 때, 금속 조각들 각각에서 발생되는 경우 와전류로 인한 손실이 감소한다. 즉, 차폐층(122)을 이루는 금속 조각의 수가 증가할수록 와전류로 인한 손실이 감소한다.

금속 조각들 각각의 입도는 수 ㎛이하인 것이 바람직하다. 금속 조각들 각각의 입도가 수 ㎛를 초과하는 경우, 차폐층(122)을 이루는 금속 조각들의 수를 크게 할 수 없다.

여기서, 금속 조각들을 이루는 합금의 결정입도는 50nm이하로 형성되어야 한다. 합금의 결정입도가 50nm를 초과하는 경우, 금속 조각들의 입도를 수 ㎛ 이하로 형성하기 힘들어진다.

한편, 비정질 리본의 적어도 일부가 결정화되지 않은 경우, 비정질 리본을 다수의 조각들로 분리하거나, 크랙을 형성하기 어려워진다. 이 때문에, 차폐층(122)의 전체 면적 중 20%이상 결정화되어야 한다.

차폐층(122)에서의 손실에 대하여 정리하면, 차폐층(122)에서의 손실을 최소화 하기 위해서는, 차폐층(122)의 전체 면적 중 20%이상이 50nm이하의 결정입도로 결정화되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 더불어, 차폐층(122)을 복수의 금속 조각들로 구성함으로써, 차폐층(122)에서의 와전류 손실을 최소화 할 수 있게 된다.

이상에서는, 차폐층(122)의 차폐능을 최대화하고, 손실을 최소화하는 구성들에 대하여 설명하였다. 차폐층(122)은 차폐층(122)을 덮는 보호층(123)에 의하여 보호된다. 이하에서는, 자기장 차폐시트(120)에 포함된 보호층(123)에 대하여 설명한다.

보호층(123)은 차폐층(122)을 외부 물질로부터 물리적, 화학적으로 보호한다. 구체적으로, 보호층(123)은 차폐층(122)을 이루는 복수의 금속 조각들이 외부로 유출되는 것을 방지하며, 차폐층(122)을 이루는 합금들이 외부로 노출되어 산화되는 것을 방지한다.

보호층(123)을 이루는 물질에 대해서는 제한이 없다. 일 실시 예에 있어서, 보호층(123)은 폴리 아마이드로 이루어질 수 있다.

상술한 점착층(121), 차폐층(122), 보호층(123)으로 이루어지는 자기장 차폐시트(120)는 20㎛ 내지 20mm의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 자기장 차폐시트(120)의 두께는 구현하고자 하는 전기 레인지의 출력에 따라 달라질 수 있다.

한편, 종래 차폐제(Mn-Zn 페라이트)과 비교할 때, 본 발명에 따른 차폐시트는 10분의 1의 두께로 형성되더라도, 종래 차폐제보다 우수한 차폐능 및 낮은 손실율을 가진다. 이 때문에, 본 발명에 따른 차폐시트를 이용하면 전기 레인지의 두께 및 무게를 줄일 수 있게 된다. 본 발명에 따른 차폐시트를 이용한 전기 레인지의 실제 성능에 대하여는 후술한다.

이상에서는, 자기장 차폐시트(120)에 대하여 설명하였다. 본 발명에 따른 전기 레인지는 자기장 차폐시트(120) 하측에 배치되는 금속판(130)을 포함한다. 이하에서는, 금속판(130)에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 전기 레인지에서 금속판(130)은 크게 세 가지 역할을 한다. 첫 번째, 금속판(130)은 자기장 차폐시트(120)의 자기장 차폐를 보조하는 역할을 한다. 두 번째, 금속판(130)은 코일(110)에 전류가 흐름에 따라 발생되는 전기장을 차폐 시키는 역할을 한다. 세 번째, 금속판(130)은 자기장 차폐시트(120) 및 코일(110)에서 발생된 열을 외부로 방출시키는 방열기능을 한다.

이를 위해, 금속판(130)은 전기전도도 및 열전도율이 높은 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속판(130)은 알루미늄, 구리, 전기아연도금 강판 등으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

상술한 금속판(130)의 기능을 수행하기 위해, 금속판(130)은 5㎛이상의 두께를 가져야 한다. 다만, 전기 레인지의 출력이 1kW 이상일 때, 금속판(130)이 코일(110)로부터 발생되는 전기장을 완전히 차폐하기 위해서는 금속판(130)의 두께는 100㎛이상으로 형성되어야 한다. 한편, 금속판(130)의 두께가 두꺼울 경우, 전기 레인지의 무게를 지나치게 증가시킬 수 있기 때문에, 금속판(130)의 두께는 1mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되지 않는다.

이상에서는, 코일(110), 자기장 차폐시트(120) 및 금속판(130)으로 이루어지는 전기 레인지에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 상술한 전기 레인지의 구현 예(이하, 실시 예1)에 대하여 설명한다. 한편, 전기 레인지의 성능 비교를 위하여, 차폐제로 Mn-Zn 페라이트를 사용한 전기 레인지(이하, 비교 예1)에 대하여 함께 설명한다.

실시 예1 및 비교 예1 각각은 1kW급 출력이 가능하며 외경이 90mm인 self bonding wire 코일 및 2mm 두께의 알루미늄 금속판(130)을 구비한다.

실시 예1의 경우, 자기장 차폐시트(120)의 두께는 0.5mm이고, 길이 및 폭이 각각 92mm 이었다. 비교 예1의 경우, 자기장 차폐시트(120)의 두께가 5mm이고, 길이 및 폭이 각각 60mm 및 15mm 이었다. 실시 예1에 구비된 자기장 차폐시트(120)의 두께는 비교 예1의 두께의 1/10이었다.

상술한 구성들을 구비하는 실시 예1 및 비교 예1 각각에 대하여, 코일(110)에 흐르는 전류량에 따른 출력 변화를 측정하였다. 측정 결과는 도 6에 도시하였다. 측정 결과, 실시 예1 및 비교 예1은 코일(110) 전류가 각각 29A 및 32A일 때 1kW 출력에 도달하였다. 한편, 실시 예1 및 비교 예1 각각에 흐르는 코일(110) 전류가 30A 일 때, 출력은 각각 1030W 및 930W이었다.

상기 측정결과에 따르면, 본 발명에 따른 전기 레인지는 일정 코일 전류량으로 도달할 수 있는 출력 값이 종래 전기 레인지보다 높다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전기 레인지는 종래 전기 레인지보다 높은 출력을 가질 수 있음을 알 수 있다.

한편, 상술한 구성들을 구비하는 실시 예1 및 비교 예1 각각에 대하여, 코일 전류량을 30A로 고정하고, 전기 레인지 구동시간에 따른 코일 온도변화를 측정하였다. 측정 결과는 도 7에 도시하였다. 측정 결과, 실시 예1 및 비교 예1 각각을 10분 동안 구동하였을 때, 코일 온도는 각각 128℃ 및 162℃이었다.

상기 측정결과에 따르면, 본 발명에 따른 전기 레인지는 코일(110)에서 소모되는 불필요한 에너지가 종래 전기 레인지보다 작음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전기 레인지가 종래 전기 레인지보다 높은 효율을 가짐을 알 수 있다.

이와 더불어, 종래 전기 레인지의 차폐시트와 비교 할 때, 본 발명에 따른 전기 레인지의 차폐시트의 두께는 1/10에 불과하므로, 본 발명에 따른 전기 레인지는 종래 전기 레인지보다 얇아지며, 경량화 될 수 있다.

이상에서는, 발명에 따른 전기 레인지와 종래 전기 레인지의 성능을 비교하였다. 이하에서는, 본 발명에 따른 전기 레인지의 성능을 더 향상시킬 수 있는 변형 예에 대하여 설명한다. 구체적인 변형 예로, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트(120)는 복수의 차폐층을 포함하여 이루어질 수 있다.

복수의 차폐층을 포함하는 자기장 차폐시트(120)는 점착층들, 차폐층들이 번갈아가며 중첩된 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 점착층들 중 어느 하나는 자기장 차폐시트(120)의 최하단에 배치된다. 즉, 자기장 차폐시트(120) 하단에 중첩되는 금속판(130)과 접촉하는 층은 점착층(121)이어야 한다.

한편, 보호층(123)은 자기장 차폐시트(120)의 최상단에 배치되어야 한다. 또한, 보호층(123)은 복수 개로 이루어질 수 있는 데, 이러한 경우, 보호층(123)은 차폐층들 중 어느 하나와 상기 어느 하나 상측에 중첩된 점착층 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 자기장 차폐시트(120)의 중첩된 순서를 설명하면, 자기장 차폐시트(120)는 점착층, 차폐층, 보호층 순으로 중첩된 형태로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 도 8을 참조하면, 자기장 차폐시트(120)는 제2점착층(121b)-제2차폐층(122b)-제2보호층(123b)-제1점착층(121a)-제1차폐층(122a)-제1보호층(123a) 순으로 적층된 형태로 이루어질 수 있다.

여기서, 점착층 및 보호층은 도 2에서 설명한 점착층 및 보호층과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 차폐층을 복수 개로 구성할 경우, 크게 네 가지 이점이 있다.

첫 번째, 자기장 차폐시트(120)의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 복수의 차폐층들을 이루는 합금의 조성을 달리 하여 자기장 차폐시트(120)의 열전도율 및 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 자기장 차폐시트(120)의 열전도율을 높이기 위해, 코일(110)과의 거리가 가까울수록, 상대적으로 높은 차폐능을 가지는 조성으로 차폐층을 구성하고, 코일(110)과의 거리가 멀수록, 상대적으로 높은 열전도율을 가지는 조성으로 차폐층을 구성할 수 있다. 예를 들어, 코일(110)과의 거리가 가까울수록(자기장 차폐시트(120)의 상측으로 갈수록), 차폐층의 Fe 함량을 상대적으로 높이고, 코일(110)과의 거리가 멀수록(자기장 차폐시트(120)의 하측으로 갈수록) 차폐층의 Cu 함량을 상대적으로 높일 수 있다.

이를 통해, 코일(110)과 인접한 위치에서의 자기장 차폐율을 높이고, 상대적으로 많은 열이 발생될 수 있는 자기장 차폐시트(120) 상부의 열을 빠르게 하부 쪽으로 전달 시킴으로써, 자기장 차폐시트(120)의 방열 성능을 향상시킬 수 있다.

두 번째, 자기장 차폐시트(120)의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 복수의 차폐층들의 투자율을 달리하여 자기장 차폐시트(120)가 보다 넓은 범위의 주파수에서 우수한 차폐능을 가지도록 할 수 있다.

고주파 자계를 차폐할 경우, 차폐층의 투자율이 낮은 것이 유리하며, 반대로, 저주파 자계를 차폐할 경우, 차폐층의 투자율이 높은 것이 유리하다. 이에, 투자율이 높은 순서대로 또는 낮은 순서대로 차폐층을 적층 하여, 자기장 차폐시트(120)가 고주파 및 저주파 자계에서 모두 높은 차폐능을 가지도록 할 수 있다.

이때, 비정질 리본의 열처리 과정에서, 차폐층 별로 열처리 시간을 달리함으로써, 차폐층의 투자율을 다르게 조정할 수 있다. 예를 들어, 차폐층과 코일(110)과의 거리가 멀어질수록 열처리 시간을 길게 하여, 차폐층이 낮은 투자율을 가지도록 할 수 있다.

세 번째, 자기장 차폐시트(120)의 제조가 용이하게 된다. 구체적으로, 구현하고자 하는 차폐층의 두께를 복수의 층으로 나누어 제조할 경우, 제조가 용이 해진다. 예를 들어, 500㎛의 차폐층을 제조하는 경우, 단일 층으로 이루어지는 차폐층을 제조하는 것보다, 25㎛의 차폐층을 20개 제조하는 것이 바람직하다.

이는, 차폐층을 용융방사 방식으로 제조하기 때문이다. 구체적으로, 차폐층은 용융방사를 통해 비정질 상태의 금속판(130)을 제조한 후, 열처리를 함으로써 제조된다. 용용 방사를 통해 금속판(130)을 제조할 때, 금속판(130)의 두께가 너무 두껍거나, 너무 얇은 경우, 금속판(130)의 두께를 균일하게 형성하는 것이 어려워진다. 따라서, 용융 방사를 통해 제조되는 금속판(130)의 두께는 15 내지 30㎛ 인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 30㎛보다 두꺼운 차폐층을 제조할 때에는 복수의 층으로 나누어 제조하는 것이 바람직하다.

네 번째, 차폐층에서의 와전류 손실을 감소시킬 수 있다. 일정 두께의 차폐층을 복수의 층으로 구현하는 것은 실질적으로, 차폐층을 복수의 금속조각들로 구현하는 것을 의미한다. 차폐층을 이루는 금속조각들의 수가 증가함에 따라, 와전류 손실이 감소할 수 있다.

이상에서는, 복수의 차폐층을 포함하는 자기장 차폐시트(120)에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 본 발명에 따른 차폐층(122)의 열처리 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

차폐층(122)은 용융방사를 통해 비정질 리본을 제조한 후, 열처리함으로써 제조된다. 상기 열처리 과정은 비정질 리본의 일부를 결정화 시키기 위해 진행된다.

여기서, 열처리 온도 및 열처리 시간은 비정질 합금이 결정화되는 비율 및 결정크기를 제어하는데 중요한 요소이다. 특히, 열처리 온도가 너무 낮을 경우, 비정질 합금이 결정화상태로 전환되지 않고, 열처리 온도가 너무 높을 경우, 비정질 금속 전체가 빠른 속도로 결정화 상태로 전환되기 때문에 결정입도 및 결정화 비율을 제어하는 것이 어렵다.

열처리 온도는 해당 비정질 리본에 대한 시차주사 열량측정법(differential scanning calorimetry, DSC)을 통해 결정될 수 있다. 구체적으로, 비정질 합금에 대하여 DSC 분석을 수행하여, 제1 및 제2차 결정화 온도를 산출한 후, 열처리 온도를 1차 결정화 온도와 2차 결정화 온도 사이로 설정한다.

예를 들어, 도 9는 Fe 함량이 83.5 at%, B 함량이 8.0 at%, Si 함량이 4.0 at%, P 함량이 3.8 at%, Cu 함량이 0.7 at%인 비정질 리본에 대한 DSC 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 약 370℃ 및 515℃에서 픽이 관찰되는데, 이는 상기 비정질 리본의 제1 및 제2차 결정화 온도에 해당한다. 도 9에서 설명한 비정질 리본을 475℃에서 30분간 열처리한 후, X선 회절법을 수행하였다.

도 10을 참조하면, 열처리 전 비정질 리본에서는 관측되지 않는 픽을 통해, 열처리된 비정질 리본의 일부가 결정화된 것을 확인할 수 있다. 한편, 열처리 시간은 구현하고자 하는 결정입도 및 결정화 비율에 따라 달라질 수 있다.

한편, 도 10에서 설명한 비정질 리본의 물리적 성질을 분석한 결과는 하기 표 1과 같다.

	포화자속밀도 (Tesla)	보자력 (A/m)
열처리 전 비정질 리본	1.53	92
475℃ 열처리 후 비정질 리본	1.68	114

상기 표 1을 참조하면, 비정질 리본을 열처리하는 경우, 포화자속밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 비정질 리본을 열처리하여 차폐층(122)을 제조하는 경우, 차폐층(122)의 차폐능을 향상시킬 수 있다.

다만, 비정질 리본을 열처리하는 경우, 보자력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 보자력이 증가하는 경우, 차폐층(122)에서의 손실이 증가하며, 이는 전기 레인지의 효율을 감소시키는 요인이 된다. 따라서, 비정질 리본에 대한 열처리는 한정적으로 수행되어야 한다.

결론적으로, 비정질 리본에 대한 열처리는 비정질 리본의 전체 면적 중 20%이상이 50nm이하의 결정입도로 결정화될 때까지만 수행되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트(120)는 종래 차폐제보다 높은 포화자속밀도를 가지기 때문에, 차폐시트에 가해지는 외부 자기장 세기를 증가시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 종래 전기 레인지보다 높은 출력을 낼 수 있는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트(120)는 종래 차폐제보다 차폐로 인한 히스테리시스 손실 및 와전류 손실이 적기 때문에, 상기 자기장 차폐시트(120)를 이용하면, 종래 전기 레인지보다 높은 효율을 가지는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

이와 더불어, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트(120)는 종래 차폐제보다 얇은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 가지므로, 상기 자기장 차폐시트(120)를 이용하면, 종래 전기 레인지보다 가볍고, 얇은 두께를 가지는 전기 레인지를 구현할 수 있게 된다.

한편, 상술한 자기장 차폐시트(120)와 페라이트 소결체를 함께 활용하는 경우, 전기레인지의 차폐성능이 향상될 수 있다.

구체적으로, 도 11을 참조하여 설명하면, 페라이트 소결체는 상술한 자기장 차폐시트(부분 나노 결정 소재)와 비교할 때, 포화 자속 밀도가 낮으며, 외부 자기장 변화에 따른 자속 밀도 변화율(이하, 자속 밀도 변화율)이 낮다. 낮은 포화 자속 밀도로 인하여, 페라이트 소결체는 전기레인지의 차폐제로 활용되기 어렵다. 하지만, 페라이트 소결체의 낮은 자속 밀도 변화율은 전기레인지의 효율을 높일 수 있는 특성이다.

본 발명은 상기 페라이트 소결체의 낮은 자속 밀도 변화율을 활용하기 위해, 페라이트 소결체와 상술한 자기장 차폐시트를 함께 활용하여, 자기장 차폐제가 적정한 수준의 포화 자속 밀도 및 자속 밀도 변화율을 가지도록 할 수 있다.

이하에서는, 상술한 자기장 차폐시트와 상기 페라이트 소재를 함께 활용하기 위한 전기레인지의 구조에 대하여 설명한다.

도 12a 내지 12b는 본 발명에 따른 전기레인지의 분해도이다.

본 발명에 따른 전기 레인지는 코일(210), 상기 코일(210)과 중첩되도록 상기 코일(210) 하측에 배치되고, 금속 합금을 구비하는 자기장 차폐시트(220), 상기 자기장 차폐시트 하측에 배치되는 페라이트 소결체(260) 및 상기 페라이트 소결체(260) 하측에 배치되는 금속판(230)을 포함한다.

여기서, 코일(210), 자기장 차폐시트(220), 금속판(230)에 대한 설명은 도 3 내지 5의 설명으로 갈음한다.

한편, 페라이트 소결체(260)는 시트 형태로 이루어지거나, 원형, 사각형, 육각형 등의 제조에 적합한 형태로 이루어질 수 있으며, 배선 구조에 따라, 가운데 홀을 가지는 형태로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 도 12a와 같이, 페라이트 소결체(260)는 바 형태로 이루어질 수 있으며, 자기장 차폐시트(220)와 금속판(230) 사이에 복수 개 배치될 수 있다. 상기 복수의 페라이트 소결체 각각은 코일과 오버랩되도록 배치되며, 전기레인지의 구조 및 배선 구조에 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

한편, 도 12a와 같이, 자기장 차폐시트는 가운데 홀 구조(221)를 가지는 사각형 시트 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 자기장 차폐시트의 형태는 원형, 육각형 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

다른 예를 들어, 도 12b와 같이, 페라이트 소결체(260')는 가운데 홀 구조(261')를 포함하는 원형 시트로 이루어질 수 있다. 이때, 페라이트 소결체(260)는 코일(210)과 오버랩되도록 이루어질 수 있다. 한편, 도 12b와 같이, 자기장 차폐시트(220')는 가운데 홀 구조(221')를 포함하는 원형 시트로 이루어질 수 있다.

상술한 구조의 전기레인지에서, 페라이트 소결체의 종류, 페라이트 소결체의 두께, 자기장 차폐시트와 페라이트 소결체 간의 상태적인 중량 비율 등에 따라, 전기레인지의 성능이 달라질 수 있다.

상기 페라이트 소결체는 Mn-Zn 페라이트, Co-Zn 페라이트, Ni-Zn 페라이트, Ni-Zn-Cu 페라이트, Mg-Ni-Zn-Cu 페라이트 및 Mg-Zn 페라이트 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.

한편, 상기 자기장 차폐시트 및 상기 페라이트 소결체의 전체 질량을 기준으로, 상기 자기장 차폐시트는 11 내지 50 중량%, 상기 페라이트 소결체는 50 내지 89 중량%로 구성될 수 있다. 상기 페라이트 소결체의 중량 비율이 낮아지는 경우, 코일 하측 차폐 영역 전체의 자속 밀도 변화율이 지나치게 높아진다. 이와 달리, 상기 페라이트 소결체의 중량 비율이 높아지는 경우, 상기 차폐 영역의 포화 자속 밀도가 지나치게 낮아진다. 차폐 영역의 자속 밀도 변화율이 지나치게 높거나, 포화 자속 밀도가 지나치게 낮은 경우, 전기 레인지의 출력을 일정 수준이상 높일 수 없게 되므로, 상기 자기장 차폐시트 및 상기 페라이트 소결체의 중량 비율은 상술한 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 자기장 차폐시트의 두께는 100 ㎛내지 500 ㎛이고, 상기 페라이트 소결체의 두께는 900 ㎛내지 4000 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 자기장 차폐시트의 두께가 100 ㎛미만일 경우, 포화 자속 밀도가 지나치게 낮아지며, 500 ㎛를 초과하는 경우, 전기레인지의 중량이 지나치게 증가할 수 있다. 한편, 상기 페라이트 소결체의 두께가 900 ㎛미만인 경우, 상기 페라이트 소결체로 인한 자속 밀도 변화율 감소 효과를 얻기 어렵게 되며, 4000 ㎛를 초과하는 경우, 전기레인지의 중량이 지나치게 증가할 수 있다.

한편, 상기 자기장 차폐시트의 포화 자속 밀도는 1.5tesla이상이고, 상기 페라이트 소결체의 포화 자속 밀도는 0.5tesla이상 인 것이 바람직하다. 또한, 100kHz를 기준으로, 상기 자기장 차폐시트의 투자율은 400 내지 1200이고, 상기 페라이트 소결체의 투자율은 500이상인 것이 바람직하다. 차폐 영역이 일정 수준 이상의 포화 자속 밀도를 가지도록, 상기 자기장 차폐시트의 포화 자속 밀도는 상기 페라이트 소결체의 포화 자속 밀도보다 큰 것이 바람직하다. 한편, 차폐 영역이 적정 수준의 자속 밀도 변화율을 가지도록, 상기 페라이트 소결체의 투자율은 상기 자기장 차폐시트의 투자율 보다 큰 것이 바람직하다.

이상에서는, 코일(210), 자기장 차폐시트(220), 페라이트 소결체(260) 및 금속판(230)으로 이루어지는 전기 레인지에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 상술한 전기 레인지의 구현 예(이하, 실시 예2)에 대하여 설명한다. 한편, 전기 레인지의 성능 비교를 위하여, 차폐제로 Mn-Zn 페라이트를 사용한 전기 레인지(상술한 비교 예)에 대하여 함께 설명한다.

실시 예2 및 비교 예2 각각은 1kW급 출력이 가능하며 외경이 90mm인 self bonding wire 코일 및 2mm 두께의 알루미늄 금속판(230)을 구비한다.

실시 예2의 경우, 도 12a와 같이 0.3mm 두께의 자기장 차폐시트에 직육면체(두께: 1mm, 길이: 35mm, 폭: 15mm)의 페라이트 소결체 6개를 방사 형태로 부착하였다.

비교 예2의 경우, 운모판에 직육면체(두께: 5mm, 길이: 35mm, 폭: 15mm)의 페라이트 소결체 6개를 방사 형태로 부착하였다. 실시 예2에 구비된 차폐제의 두께는 비교 예2의 두께의 약 1/4이었다.

상술한 구성들을 구비하는 실시 예2 및 비교 예2 각각에 대하여, 코일(210)에 흐르는 전류량에 따른 출력 변화를 측정하였다. 측정 결과, 실시 예2 및 비교 예2는 코일(210) 전류가 각각 28A 및 32A일 때 1kW 출력에 도달하였다.

상기 측정결과에 따르면, 본 발명에 따른 전기 레인지는 일정 코일 전류량으로 도달할 수 있는 출력 값이 종래 전기 레인지보다 높다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전기 레인지는 종래 전기 레인지보다 높은 출력을 가질 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

1. 유도가열 방식의 전기 레인지에 있어서,
   코일;
   상기 코일과 중첩되도록 상기 코일 하측에 배치되는 금속판; 및
   상기 코일과 상기 금속판 사이에 배치되며, 상기 코일에서 형성되는 자기장의 적어도 일부를 차폐 시키도록 이루어지는 자기장 차폐시트를 포함하고,
   상기 자기장 차폐시트는,
   B, C, N, Si, P, Co, Cu, Zr, Nb 및 Ta 중 적어도 하나와 Fe로 구성된 합금을 구비하고,
   상기 합금의 적어도 일부는 결정화된 상태인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 자기장 차폐시트는,
   점착층;
   점착층 상에 적층되고, 상기 합금으로 이루어지는 차폐층; 및
   상기 차폐층 상에 적층되는 보호층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
3. 제2항에 있어서,
   상기 차폐층은,
   상기 합금으로 이루어지는 복수의 금속 조각들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
4. 제2항에 있어서,
   상기 합금에서 Fe의 함량은 78 내지 85wt. %인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
5. 제2항에 있어서,
   상기 차폐층의 포화자속밀도는 1.5Tesla 이상인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
6. 제5항에 있어서,
   상기 차폐층의 투자율은 100kHz를 기준으로 400 내지 1200인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
7. 제2항에 있어서,
   상기 합금의 적어도 일부는 결정입도(grain size)가 50nm이하인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
8. 제7항에 있어서,
   상기 차폐층의 전체 면적의 20% 이상은 결정화된 상태의 상기 합금으로 이루어지고, 나머지는 비정질 상태의 상기 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
9. 제1항에 있어서,
   상기 자기장 차폐시트는,
   복수의 점착층들;
   상기 합금으로 이루어지는 복수의 차폐층들; 및
   상기 자기장 차폐시트의 최상단에 배치되는 보호층을 포함하고,
   상기 점착층들 중 어느 하나의 점착층은 상기 자기장 차폐시트의 최하단에 배치되고,
   상기 점착층들 및 상기 차폐층들은, 점착층 및 차폐층 순으로 서로 번갈아가며 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
10. 제9항에 있어서,
    상기 보호층은 복수 개이고,
    상기 차폐층들 중 어느 하나와 상기 어느 하나의 상측에 중첩된 점착층 사이에는 상기 보호층이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
11. 제9항에 있어서,
    상기 차폐층들 각각을 이루는 합금은 Cu를 포함하여 이루어지고,
    상기 차폐층들 각각을 이루는 합금의 Fe 함량은, 상기 자기장 차폐시트의 상측으로 갈수록 증가하고,
    상기 차폐층들 각각을 이루는 합금의 Cu 함량은, 상기 자기장 차폐시트의 상측으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
12. 제9항에 있어서,
    상기 차폐층들 각각은 서로 다른 투자율을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
13. 제9항에 있어서,
    상기 차폐층들 각각의 두께는 15 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
14. 유도가열 방식의 전기 레인지에 있어서,
    코일;
    상기 코일과 중첩되도록 상기 코일 하측에 배치되고, 금속 합금을 구비하는 자기장 차폐시트;
    상기 자기장 차폐시트 하측에 배치되는 페라이트 소결체; 및
    상기 페라이트 소결체 하측에 배치되는 금속판을 포함하고,
    상기 자기장 차폐시트에 구비된 상기 합금의 적어도 일부는 결정화된 상태인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
15. 제14항에 있어서,
    B, C, N, Si, P, Co, Cu, Zr, Nb 및 Ta 중 적어도 하나와 Fe로 구성된
16. 제14항에 있어서,
    상기 페라이트 소결체는 Mn-Zn 페라이트, Co-Zn 페라이트, Ni-Zn 페라이트, Ni-Zn-Cu 페라이트, Mg-Ni-Zn-Cu 페라이트 및 Mg-Zn 페라이트 중 적어도 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
17. 제14항에 있어서,
    상기 자기장 차폐시트 및 상기 페라이트 소결체의 전체 질량을 기준으로, 상기 자기장 차폐시트는 11 내지 50 중량%, 상기 페라이트 소결체는 50 내지 89 중량%로 구성된 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
18. 제14항에 있어서,
    상기 자기장 차폐시트의 두께는 100 ㎛내지 500 ㎛이고, 상기 페라이트 소결체의 두께는 900 ㎛내지 4000 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
19. 제14항에 있어서,
    상기 자기장 차폐시트의 포화자속밀도는 1.5tesla이상이고,
    상기 페라이트 소결체의 포화자속밀도는 0.5tesla인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.
20. 제14항에 있어서,
    100kHz를 기준으로, 상기 자기장 차폐시트의 투자율은 400 내지 1200이고, 상기 페라이트 소결체의 투자율은 500이상인 것을 특징으로 하는 전기 레인지.

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